Durante décadas, físicos têm organizado meticulosamente sua coleção cada vez maior de partículas subatômicas, apenas para ver algumas novas recusarem-se a se encaixar nas caixas designadas. Pesquisadores do Thomas Jefferson National Accelerator Facility, do Departamento de Energia dos EUA, agora encontraram evidências de duas estruturas inesperadas que podem ajudar a resolver parte do caos.
Os sinais podem lançar luz sobre os estados XYZ - um grupo intrigante de objetos que não se encaixam na imagem convencional de partículas feitas de quarks, os blocos fundamentais da matéria. Pela primeira vez, pesquisadores do Jefferson Lab detectaram dois desses sinais quando um feixe de fótons de alta energia colidiu com um alvo de prótons.
As descobertas vêm da Colaboração Gluonic Excitations (GlueX) no Hall Experimental D do Jefferson Lab e foram publicadas recentemente na Physical Review Letters. Os resultados podem ajudar os cientistas a entender como uma das forças fundamentais da natureza contribui para a formação da matéria.
"Procuramos um candidato XYZ confirmado com um feixe de fótons, mas em vez disso encontramos duas outras estruturas", disse Malte Albrecht, cientista do Jefferson Lab. "São informações novas." Tradução: eles miravam uma partícula exótica e acidentalmente descobriram mais duas, o que é ou uma vitória enorme ou uma pegadinha cósmica.
Desde a década de 1950, experimentos de colisão de alta energia têm desenterrado um verdadeiro zoológico de partículas subatômicas chamadas hádrons, que são partículas compostas de dois ou mais quarks mantidos juntos pela força nuclear forte. Exemplos familiares incluem prótons e nêutrons, cada um contendo três quarks (embora esses fossem conhecidos muito antes). Entre os recém-chegados estavam partículas de vida curta chamadas mésons, tipicamente um quark emparelhado com sua contraparte de antimatéria, o antiquark.
Em 1964, físicos introduziram o modelo de quarks para impor ordem a esses estados ligados. A versão mais antiga tinha três "sabores" de quark: up, down e strange. Quarks up e down, por exemplo, formam prótons e nêutrons; up, down e strange são os três tipos de quark mais leves. Então, em 1974, o quark charm mais pesado apareceu e jogou uma chave nas engrenagens - mas também ajudou a construir a estrutura que se tornou o Modelo Padrão, a teoria ampla que descreve partículas elementares e forças fundamentais, enquanto expandia o espectro conhecido de estruturas hadrônicas.
À medida que aceleradores se tornaram mais poderosos e detectores mais sensíveis, pesquisadores começaram a ver processos mais sutis. Após 2000, experimentos começaram a revelar hádrons com propriedades quânticas que não se encaixavam no modelo original de quarks. As descobertas se acumularam tão rápido que físicos rotularam muitos desses estados mal compreendidos como estados XYZ.
"Estamos em uma nova era aqui, semelhante a 70 e poucos anos atrás", disse Frank Nerling, colaborador do Jefferson Lab do Centro GSI Helmholtz para Pesquisa de Íons Pesados e da Universidade Goethe de Frankfurt, na Alemanha. "Primeiro, um zoológico de hádrons foi descoberto. Agora, enfrentamos um zoológico dos chamados estados exóticos."
Hádrons contendo um quark charm e seu parceiro anticharm ocupam uma região de massa chamada charmonium; partículas com quarks strange e anti-strange povoam o strangeonium. Muitos estados XYZ foram avistados nesses setores. Em 2006, pesquisadores do experimento BaBar no SLAC National Accelerator Laboratory do DOE relataram um possível estado strangeonium com massa de cerca de 2,16 bilhões de elétron-volts (2,16 GeV), designando-o Y(2175). O BaBar criou o Y(2175) colidindo elétrons e pósitrons (aniquilação e+e-). O Y(2175) mostrou comportamento quântico que pode ser difícil de explicar como um simples par quark-antiquark - pode ser um estado híbrido envolvendo dois quarks strange e glúons excitados (os portadores da força forte), um tetraquark de quatro quarks, ou uma combinação semelhante a moléculas de outras partículas compostas.
Experimentos posteriores de colisores de elétron-pósitron (BES na China, Belle no Japão) confirmaram o Y(2175), mas até agora ele não tinha sido visto por nenhum processo além da aniquilação e+e-. "O desafio é que você tem muitos me